Как работают автомобили, работающие на природном газе

Далее Альтернативные виды топлива, которые никогда не выпускались из лаборатории Как работают электромобили Проект Curiosity:почему мы хотим избавиться от личных автомобилей?

Лягушка Кермит однажды сказал:«Не так просто быть зеленым». Хотя он не имел в виду автомобили, его наблюдение кажется особенно уместным для автомобильной промышленности сегодня:проектирование, разработка и маркетинг «зеленых» автомобилей были непростой задачей, поэтому автомобили с бензиновым двигателем по-прежнему доминируют на дорогах, а ископаемое топливо по-прежнему приходится почти 75 процентов мирового потребления энергии. Однако по мере роста цен на бензин и роста опасений по поводу вредных выбросов автомобили, работающие на альтернативных источниках топлива, будут приобретать все большее значение. Автомобиль, работающий на природном газе, или NGV, является идеальным примером такого автомобиля:он экономичен, экологически чист и предлагает относительно низкую стоимость владения.

Галерея изображений транспортных средств, работающих на альтернативном топливе

<центр>
Дэвид МакНью/Getty Images
Домашний заправщик на природном газе, Фил, автор FuelMaker подключен к автомобилю Honda Civic NGV, работающему на природном газе. Посмотрите фотографии автомобилей, работающих на альтернативном топливе.

В этой статье будет объяснена основная идея газомоторного топлива, рассмотрены уникальные проблемы, связанные с проектированием, и рассмотрены преимущества и выгоды этой технологии.

ОткрытиеНекоторые ученые предполагают, что люди, живущие на Ближнем Востоке, открыли это свойство природного газа между 6000 и 2000 годами до нашей эры, когда удары молнии воспламенили просачивающийся из-под земли природный газ. Китайцы сжигали природный газ еще в 211 г. до н.э., чтобы высушить каменную соль, найденную в известняковых породах. Они также пробурили первые известные газовые скважины, используя бамбуковые шесты и примитивные долота, но им удалось достичь глубины только 500 футов. В

Содержание

1. Основные сведения о природном газе
2. От поля к Ford
3. Дизайн автомобиля, работающего на природном газе
4. Преимущества и недостатки

>Основы работы с природным газом

Слово «газ» сбивает с толку, потому что оно используется для описания множества разных веществ, которые похожи, но не совсем одинаковы. Например, «бензин», который вы заправляете в свой автомобиль, — это бензин, один из компонентов сырой нефти или нефти. Нефть представляет собой темную липкую жидкую смесь соединений, образовавшихся под землей в результате разложения древних морских животных.

Природный газ также возникает в результате распада древних организмов, но он, естественно, принимает газообразную форму, а не жидкую. Природный газ обычно встречается вместе с сырой нефтью. Он образуется как из наземных растений, так и из водных органических веществ и образуется над или под нефтяными отложениями. Он часто растворяется в сырой нефти при высоких давлениях, существующих в пласте. Существуют также залежи природного газа, известные как попутный газ, которые содержат только газ и не содержат нефти.

Природный газ состоит в основном из метана и других углеводородных газов. Углеводороды – это органические соединения, состоящие только из элементов углерода и водорода. Углеводороды в природном газе называются насыщенными углеводородами, потому что они содержат водород и углерод, связанные вместе одинарными связями. Как видно из диаграмм, метан является простейшим предельным углеводородом.

Как и бензин, природный газ является горючим, что означает, что его можно использовать в двигателе внутреннего сгорания, как и бензин. Но автомобили, работающие на природном газе, появились только в 1930-х годах.

>От Филда к Форду

Мы добываем природный газ из подземных резервуаров путем бурения скважин в земле. Современная скважина, оснащенная буровыми коронками с алмазными шипами, может бурить на глубину до 25 000 футов.

Добыча и переработка Большинство современных скважин одновременно добывают сырую нефть и природный газ. Некоторое количество природного газа можно использовать в том виде, в каком оно поступает из скважины, без какой-либо очистки, но большая часть требует обработки. Переработка природного газа заключается в отделении всех различных углеводородов и жидкостей от «влажного» природного газа до «сухого». Сухой природный газ — это чистый метан, который является предпочтительным топливом для многих бытовых приборов, включая транспортные средства, работающие на природном газе.

На протяжении 19 века использование природного газа оставалось локальным, поскольку не было возможности транспортировать большие объемы газа на большие расстояния. В 1890 году изобретение герметичной муфты трубопровода позволило транспортировать газ на многие мили от источника. Совершенствование технологии трубопроводов продолжалось в течение следующих двух десятилетий, пока не стала практичной транспортировка газа на большие расстояния. С 1927 по 1931 год рабочие построили более 10 крупных систем транспортировки природного газа в Соединенных Штатах, что сделало природный газ жизнеспособным источником энергии для многих применений. Нехватка нефти в конце 1960-х и начале 1970-х годов возродила интерес к природному газу как источнику топлива, особенно для автомобилей.

Сегодня владельцы транспортных средств, работающих на природном газе, могут заправить свои автомобили на одной из 1300 заправочных станций, расположенных в Соединенных Штатах. Honda также предлагает персональный газовый насос людям, которые покупают ее Civic, работающий на природном газе. Насос использует существующие газопроводы дома и может быть установлен за 500–1500 долларов США.

В следующем разделе мы обсудим, как устроены автомобили, работающие на природном газе.

БиогазПриродный газ — не единственный источник метана. Метан также можно получить путем ферментации органических веществ, таких как навоз, при низком уровне кислорода. В таких условиях бактерии будут использовать питательные вещества навоза в качестве источника пищи и выделять метан и углекислый газ в качестве отходов. Этот метан, известный как биогаз, можно собирать и использовать в качестве источника топлива.

>Дизайн автомобиля, работающего на природном газе

В автомобилях, работающих на природном газе, используются те же основные принципы, что и в автомобилях с бензиновым двигателем. Другими словами, топливо (в данном случае природный газ) смешивается с воздухом в цилиндре четырехтактного двигателя, а затем воспламеняется от свечи зажигания, чтобы поршень перемещался вверх и вниз. Хотя существуют некоторые различия между природным газом и бензином с точки зрения воспламеняемости и температуры воспламенения (см. диаграмму ниже), сами газомоторные автомобили работают на тех же фундаментальных принципах, что и автомобили с бензиновым двигателем.

Свойство	Природный газ	Бензин	Дизель
Пределы воспламеняемости (объемный % в воздухе)	5-15	1.4–7.6	0,6–5,5
Автозажигание Температура ( ° Ф)	842	572	446
Пик Пламени Температура ( ° Ф)	3423	3591	3729

Тем не менее, для эффективной работы NGV необходимы некоторые модификации. Эти изменения коснулись прежде всего топливного бака, двигателя и шасси.

Хранение топлива
Большинство газомоторных автомобилей работают на компримированном природном газе, поэтому топливо занимает меньше места. На заправочной станции газ сжимается до 3000-3600 фунтов на квадратный дюйм, а затем закачивается в трубчатые цилиндры высокого давления, прикрепленные к задней, верхней части или шасси автомобиля. Резервуары для хранения первых газомоторных автомобилей были громоздкими и занимали большую часть грузового пространства автомобиля, но были разработаны более новые и легкие баллоны. Эти полностью композитные баллоны, называемые интегрированными системами хранения (ISS), заключены в оболочку из стекловолокна и амортизирующую пену для защиты их в случае аварии. Цилиндры также имеют меньший диаметр, так что три из них могут быть размещены вместе по размеру и форме, напоминающей обычный бензобак.

Изображение предоставлено Лабораторией прикладной физики Университета Джона Хопкинса.

Модификации двигателя
При запуске двигателя газомоторного топлива природный газ поступает из баллонов-накопителей в топливную магистраль. Рядом с двигателем природный газ поступает в регулятор для снижения давления. Затем газ подается через многоточечную систему газового впрыска топлива, которая подает топливо в цилиндры. Датчики и компьютеры регулируют топливно-воздушную смесь таким образом, что когда свеча зажигания воспламеняет газ, он сгорает эффективно. Двигатель, работающий на природном газе, также включает в себя кованый алюминий, поршни с высокой степенью сжатия, закаленные никель-вольфрамовые седла выпускных клапанов и каталитический нейтрализатор для метана.

Фото предоставлено Лабораторией прикладной физики Университета Джона Хопкинса. Установленный двигатель на природном газе

Модификации шасси
Могут потребоваться некоторые модификации подвески газомоторного автомобиля для создания места для контейнеров для хранения топлива. В задней части автомобиля подвеска на продольных рычагах иногда заменяет подвеску с поперечной тягой, которая входит в стандартную комплектацию многих автомобилей с бензиновым двигателем. Это создает больше свободного пространства в задней части шасси, но при этом обеспечивает плавную и комфортную езду. В NGV также снимаются запасное колесо и домкрат, что обеспечивает ровную планировку пола. Шины Run-Flat, такие как шины повышенной проходимости от Goodyear Tire, устанавливаются, чтобы компенсировать отсутствие запасного колеса и домкрата.

Фото предоставлено Лабораторией прикладной физики Университета Джона Хопкинса.

Различия в заправке
Заправка автомобиля, работающего на природном газе, также может немного отличаться. Точка заправки обычно находится в передней части автомобиля, хотя в некоторых автомобилях на природном газе, таких как Honda Civic GX, точка заправки находится сзади. NGV можно заправить с помощью насоса «быстрой заправки» примерно за то же время, которое требуется для заправки любого автомобиля с бензиновым или дизельным двигателем. В качестве альтернативы, NGV можно заправить за пять-восемь часов, используя метод «медленной заправки». Домашние заправочные станции, предлагаемые Honda, относятся к категории медленных заправок, требующих от владельцев автомобилей заправлять свои автомобили в течение ночи.

Далее мы обсудим, какие преимущества у транспортных средств, работающих на природном газе, по сравнению с автомобилями, работающими на бензине, а также недостатки.

>Преимущества и недостатки

Самым большим преимуществом автомобилей на природном газе является то, что они снижают вредные для окружающей среды выбросы. транспортные средства, работающие на природном газе, могут сократить выбросы угарного газа на 93 %, выбросы различных оксидов азота на 33 % и химически активные углеводороды на 50 % по сравнению с автомобилями, работающими на бензине. Автомобильные автомобили также имеют более высокие выбросы твердых частиц 10 (PM10). Частицы PM10 переносят и осаждают токсичные вещества по воздуху. Транспортные средства, работающие на дизельном топливе, могут снизить выбросы PM10 в 10 раз.

Автомобили, работающие на природном газе, также обладают следующими преимуществами:

Создать или купить NGV можно построить с нуля, включив описанные выше усовершенствования конструкции. Совершенно новый автомобиль, работающий на природном газе, стоит на 4000–8000 долларов больше, чем аналогичный бензиновый автомобиль. Также можно модифицировать обычные бензиновые автомобили для работы на природном газе. Это тоже может быть дорого:модификации обычно стоят от 3000 до 5000 долларов. Транспортные средства, работающие исключительно на природном газе, известны как «специализированные» газомоторные автомобили. Транспортные средства, которые могут работать как на природном газе, так и на бензине, известны как «двухтопливные» автомобили. В двухтопливных автомобилях водитель может безопасно переключаться с одного топлива на другое во время движения.

• Автомобили безопаснее. Резервуары для хранения топлива на NGV толще и прочнее, чем баки для бензина или дизельного топлива. В США за последние два года не было ни одного случая разрыва топливного бака газомоторного топлива.

• Стоимость природного газа ниже стоимости бензина. В среднем природный газ стоит на треть дешевле бензина на заправке.

• Природный газ удобен и доступен в изобилии. В Соединенных Штатах существует хорошо налаженная трубопроводная инфраструктура для доставки природного газа почти во все городские районы и большинство пригородных районов. В Соединенных Штатах насчитывается более 1300 заправочных станций, работающих на природном газе, и каждый день их становится больше.

• Цены на природный газ продемонстрировали значительную стабильность по сравнению с ценами на нефть. Исторически цены на природный газ отличались значительной ценовой стабильностью по сравнению с ценами на нефтяное топливо. Эта стабильность облегчает точное планирование долгосрочных затрат.

• Автомобили на природном газе требуют меньше затрат на техническое обслуживание. Поскольку природный газ сгорает так чисто, это приводит к меньшему износу двигателя и увеличивает время между настройками и заменой масла.

Недостатки
Одна из самых больших претензий к автомобилям на природном газе заключается в том, что они не такие вместительные, как бензиновые автомобили. Это связано с тем, что газомоторным автомобилям приходится отказываться от драгоценного груза и места в багажнике для размещения баллонов для хранения топлива. Мало того, эти цилиндры могут быть дорогими в проектировании и изготовлении, что способствует более высокой общей стоимости автомобиля, работающего на природном газе, по сравнению с автомобилем, работающим на бензине.

Фото предоставлено Лабораторией прикладной физики Университета Джона Хопкинса. Задняя часть шасси с топливными цилиндрами

Еще одним недостатком является ограниченная дальность пробега автомобилей на природном газе, которая обычно примерно вдвое меньше, чем у автомобилей с бензиновым двигателем. Например, Civic GX от Honda, работающий на природном газе, может проехать до 220 миль без дозаправки. Типичный Civic с бензиновым двигателем может проехать около 350 миль без дозаправки. Если у специального NGV ​​в дороге закончилось топливо, его пришлось бы отбуксировать к дому владельца или к местной заправочной станции природного газа, которую может быть труднее найти, чем «обычную» заправочную станцию.

Наконец, следует отметить, что природный газ, как и бензин, является ископаемым топливом и не может считаться возобновляемым ресурсом. Хотя запасы природного газа в Соединенных Штатах все еще значительны, они не являются неисчерпаемыми. Некоторые предсказывают, что запасов природного газа хватит еще на 67,1 года, если предположить, что уровень добычи сохранится на уровне 2003 года.

Несмотря на некоторые преимущества, предлагаемые NGV, они все еще относительно редки. По данным Коалиции природного газа, в настоящее время в США эксплуатируется 130 000 автомобилей на природном газе, а по всему миру — более 2,5 миллионов. Чтобы представить это в перспективе, учтите, что в 2001 году было зарегистрировано 142,5 миллиона транспортных средств, что означает, что в Соединенных Штатах количество транспортных средств, работающих на газе, почти 1100 к одному. И все же более 40 различных производителей, включая Ford, General Motors, Toyota и Volvo, в настоящее время производят газомоторные автомобили.

Фото предоставлено Хондой Заправочное устройство Phill Home

Двумя автомобильными компаниями, занимающими лидирующие позиции в разработке и проектировании газомоторных транспортных средств, являются Honda и DaimlerChrysler. Honda является первым производителем, предлагающим розничную продажу автомобиля на природном газе — седан Honda Civic GX, который также поставляется с домашней заправочной станцией, которую компания назвала «Phill». Civic GX — это специализированный NGV, что означает, что он может работать только на природном газе. DaimlerChrysler производит Mercedes E-класса, который работает как на бензине, так и на природном газе. Ему присвоена классификация «NGT», что означает «Технология природного газа», и он может проехать 621 милю на одной заправке — 186 миль на природном газе и 435 миль на бензине.

В то время как такие автомобили, как Civic GX и E 200 NGT, доступны только на очень ограниченных рынках (первый — в некоторых западных странах, последний — в Европе), ожидается, что в ближайшие два десятилетия NGV станут более широко доступными для потребителей, особенно поскольку цена на нефть продолжает расти. Когда это произойдет, быть зеленым будет немного легче.

Для получения дополнительной информации о транспортных средствах, работающих на природном газе, и связанных темах перейдите по ссылкам на следующей странице.

Парки газомоторных автомобилей Топливоемкие автопарки, которые ежедневно преодолевают много миль, годами используют природный газ. Сюда будут входить парки такси, транзитных и школьных автобусов, автобусов до аэропорта, строительных машин, мусоровозов, грузовиков для доставки и транспортных средств для общественных работ. Почему автопарки особенно подходят для работы на природном газе? Во-первых, больший объем транспортных средств делает более экономичным преобразование транспортных средств или их полную покупку. Но что еще более важно, транспортные средства обслуживаются централизованно, что делает процесс заправки удобным и надежным. Многие дальнемагистральные грузовики и автобусы работают на другой форме природного газа, называемой сжиженным природным газом или СПГ. СПГ производится путем охлаждения природного газа до -260°F и его конденсации в жидкость. Жидкая форма гораздо более плотная и, следовательно, обладает большей потенциальной энергией на занимаемом ею пространстве. Это означает, что больше энергии может храниться на том же самом пространстве автомобиля или грузовика.

Исследование автомобильных альтернативных видов топлива AutoFuel EconomyКак работает ценообразование на альтернативное топливоAutoAlternative FuelsAlternative FuelAutoAutoAlternative Fuels10 альтернативных топливных идей, которые никогда не выходили из лабораторииAutoHybrid TechnologyКакие самые сложные стандарты для автомобиля на альтернативном топливе?AutoHybrid TechnologyКак работают заправочные станции на альтернативном топливеAutoHybrid TechnologyКакой самый дешевый в мире автомобиль на альтернативном топливе? AutoBiofuelsЯвляется ли биотопливо из водорослей жизнеспособной альтернативой нефти?AutoBiofuelsПродвигают ли нефтяные компании альтернативную энергию?AutoHybrid Technology10 лучших альтернативных видов топлива на дороге прямо сейчасAutoBiofuelsЯвляется ли биотопливо разумной (и безопасной) альтернативой реактивному топливу? Топливные элементы работаютAutoАльтернативные виды топливаКак работает биодизельАвтомобильАльтернативные виды топливаДействительно ли этанол более экологичен, чем газ? rs?AutoАльтернативные виды топливаКак работают автомобили, работающие на природном газеAutoАльтернативные виды топливаE85 Ethanol Flex Fuel ОбзорAutoАльтернативные виды топливаМожет ли этанол повредить двигатель?AutoАльтернативные виды топливаЧто такое лучшее топливо и чем оно отличается от бензина?AutoАльтернативные виды топливаМожет ли автомобиль работать на ядерной энергии?Исследования альтернативного топлива НаукаПроизводство энергииКакая самая дешевая новая альтернатива энергии?НаукаЗеленая наукаКакая самая дешевая новая альтернативная энергия?НаукаЗеленая наука10 дурацких форм альтернативной энергииНаукаЗеленая наукаИсчерпают ли альтернативные виды топлива глобальные запасы кукурузы?

>Дополнительная информация

СпасибоСпасибо Джеффу Бекману за помощь в написании этой статьи.

Связанные статьи HowStuffWorks

• Как работают гибридные автомобили
• Как работают электромобили
• Как работают цены на газ
• Как работает бурение нефтяных скважин
• Как работает нефтепереработка

Больше отличных ссылок

• Образовательный сайт Ассоциации поставщиков природного газа.
• Коалиция автомобилей, работающих на природном газе.
• Лаборатория прикладной физики Университета Джона Хопкинса
• Веб-сайт Honda Civic GX
• Транспортные средства, работающие на природном газе — Pacific Gas &Electric Company

Источники

• Диксон, Т.Р. Введение в химию, 7-е изд. Нью-Йорк:John Wiley &
  Sons, Inc.
• Дурбин, Д. «Honda впервые предлагает розничную продажу автомобилей, работающих на природном газе, и домашнюю заправочную станцию», The Detroit News. 22 апреля 2005 г.
  http://www.detnews.com/2005/autosinsider/0504/22/autos-159034.htm
• Британская энциклопедия 2005, с.в. "натуральный газ." компакт-диск, 2005 г.
• GermanCarFans.com.
  http://www.germancarfans.com/news.cfm/newsid/2050207.006
• Веб-сайт Honda Civic GX
  http://automobiles.honda.com/models/model_overview.asp?ModelName=Civic+GX&bhcp=1
• Лаборатория прикладной физики Университета Джона Хопкинса.
  http://www.jhuapl.edu/programs/trans/ANGV.htm
• Мир безопасности природного газа.
  http://www.ngridsafetyworld.com/ngsw/more/vehicles.html
• Образовательный сайт Ассоциации газоснабжения.
  http://www.naturalgas.org/
• Транспортные средства, работающие на природном газе. Тихоокеанская газовая и электрическая компания.
  http://www.pge.com/about_us/environment/natural_gas_vehicles/
• Коалиция транспортных средств, работающих на природном газе. http://www.ngvc.org/ngv/ngvc.nsf
• Форум транспортных средств, работающих на природном газе. http://www.ngv.org/ngv/ngvorg01.nsf
• Парфит, М. "Энергия будущего", National Geographic. Август 2005 г., стр.
  2–31.
• Райт, Майкл и Мукул Пател, ред. 2000. Scientific American:
  как обстоят дела сегодня. Нью-Йорк:Crown Publishers.